單片機(jī)技術(shù)中的軟硬件防干擾方法

單片機(jī)技術(shù)中防止干擾，保安全可靠運(yùn)行也是一個(gè)很重要的問題。本文從電磁輻射、電源干擾和信號通道干擾三個(gè)主要干擾源入手，介紹了采用硬件和軟件的防干擾措施，對于從事單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)者有重要參考價(jià)值。

　　1 引言
　　隨著單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，在應(yīng)用過程中，如何防止外界的干擾，確保單片機(jī)安全可靠運(yùn)行，是一個(gè)很重要的問題。我們在多項(xiàng)測控項(xiàng)目的實(shí)踐中體會到，干擾源主要來自三個(gè)方面。一是空間場干擾，通過電磁輻射富入系統(tǒng)：二是電源干擾，它直接侵害系統(tǒng)：三是信號通道干擾，通過與單片機(jī)相連的前、后向通道進(jìn)入系統(tǒng)。一般來說，空間場干擾在強(qiáng)度上遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)干擾源產(chǎn)生的干擾，且容易對付。只要采取良好的屏蔽、正確的接地及恰當(dāng)?shù)母哳l濾波就可以得到滿意解決。

　　2 千擾的來源分析

　　2.1來自交流電源的干擾

　　開關(guān)的通斷，火花干擾，電焊、大電機(jī)的啟動等，在工業(yè)環(huán)境中是常見的。這些來自電源的干擾都會破壞單片機(jī)的正常運(yùn)行。要完全抑制來自交流電源的干擾是十分困難的，其原因是干擾傳播的途徑往往不清楚。干擾的頻帶很難定量化，交流電源及負(fù)載的阻抗很難實(shí)測，電源濾波器的特性和實(shí)際干擾頻帶也往往有差異。

　　在實(shí)際使用中，常常要應(yīng)用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來自電源的干擾。

　　2.2來自信號通道的干擾

　　為達(dá)到數(shù)據(jù)采集或?qū)崟r(shí)控制的目的，開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出是必不可少的。在工業(yè)現(xiàn)場，如果被控對象是一個(gè)強(qiáng)干擾源(如可控硅、電焊機(jī)等)，單片機(jī)根本無法工作。

　　對于開關(guān)量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數(shù)工程技術(shù)人員所接受。然而對模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數(shù)人尚認(rèn)識不足。模擬量輸入、輸出不進(jìn)行隔離。雖說可以運(yùn)行，但會產(chǎn)生“程序亂飛”，使可靠性下降，對于連續(xù)工作的對象(如鍋爐、空調(diào)等)來說是不允許的。因此，在單片機(jī)控制時(shí)，這個(gè)問題也必須注意。對于模擬量、開關(guān)量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

　　2.3來自空間的輻射干擾

　　在特殊的情況下，如在發(fā)射機(jī)、中頻爐、可控硅逆變電源周圍，單片機(jī)往往不能正常工作。

　　上述三種干擾危害以來自交流電源的干擾最甚，其次為來自信號通道的干擾。來自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當(dāng)?shù)钠帘渭敖拥鼐涂山鉀Q。

　　3 硬件抗干擾措施

　　3.1電源干擾的抑制

　　要保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，前提是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源的過壓與欠壓。因此，在電源的前向要求配置交流穩(wěn)壓器，這樣有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。對于短暫時(shí)間的停電，可配置UPS電源。任何電源和輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起電源的噪聲干擾。考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次線圈的互感偶合，而是由初、次級間寄生電容偶合的。因此，在交流穩(wěn)壓器之后應(yīng)加隔離變壓器，且初、次級之間均需用屏蔽層隔離，以減少分布電容，提高抗共模干擾的能力。另外，由諧波頻譜分析可知，電源引起的干擾大部分是高次諧波。這樣就可在隔離變壓器之后設(shè)計(jì)低通濾波器，讓5 0HZ市電基波通過，濾去高次諧波，改善電源波形。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：

　　當(dāng)濾波器工作在低電壓且載有大電流時(shí)，宜采用小電感和大電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)工作在高壓下，則宜采用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)。

　　在整流電路之后加接附圖所示的雙T濾波器，用以消除50Hz的工頻干擾。它結(jié)構(gòu)簡單，對固定頻率的干擾濾波效果好。調(diào)試步驟為：先將電容C固定，然后模擬現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境調(diào)節(jié)電阻，當(dāng)輸人50Hz信號時(shí)，使輸出V0=0。

　　在實(shí)際控制系統(tǒng)中，往往需要提供多種電源，此時(shí)應(yīng)采用分散獨(dú)立的功能塊供電，且口用相應(yīng)的三端集成穩(wěn)壓塊分別組成所需的穩(wěn)壓電源。這樣可以減少公共阻抗和公共電源的相互偶合，有利于電源散熱，大大提高供電的可靠性。

　　3.2信號通道干擾的抑制

　　(1)共阻抗偶合干擾及其抗干擾措施。通過公共接地線的偶合形成共模干擾。A/D，D/A等I/O板的輸入、輸出電路的“地”與單片機(jī)地線GND之間有各種信號電路的電流流過，并由接地線阻抗變換成電壓，形成共模干擾。其次，在I/O電路、前置放大器等各部分電路中，也存在同樣的的共地偶合形成局部的共模干擾，尤其是執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)通斷、線圈動作等通過共地構(gòu)成的回饋干擾尤為嚴(yán)重，特別是感性負(fù)載時(shí)，若不注意反電勢，有關(guān)電子會受到損壞。

　　針對共阻抗偶合干擾采取如下措施：① 采用單點(diǎn)接地和分別電源供電，消除共阻抗回路。數(shù)字信號地線、信號源地線和負(fù)載地線分開設(shè)置，數(shù)字電路、模擬電路和負(fù)載電路分別單獨(dú)供電，獨(dú)自構(gòu)成回路且單點(diǎn)接地。②加強(qiáng)電源退偶。為避免通過共用電源內(nèi)阻造成幾個(gè)電路之間的相互干擾，應(yīng)在每個(gè)電路的直流電源進(jìn)線與地線之間加裝退偶濾波器，工作頻率較高的電路加LC濾波器或RC濾波器。一般單片機(jī)主板及其外圍接口電路和一般I/O板等，在大規(guī)模集成電路電源引腳處加一只0.1u F電容，小功率TTL電路可幾片加一只退偶電容即可。③ 用集成隔離放大器切斷共阻抗環(huán)路。由于隔離放大器采用浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸入、輸出間的直接偶合，切斷了共地和共電源環(huán)路，因而具有共模抑制比高、能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害和防止高壓對低壓信號系統(tǒng)損壞的特點(diǎn)。④采用光電隔離器切斷共阻抗環(huán)路。單片機(jī)與各數(shù)字電路、脈沖電路或開關(guān)電路的接口可用數(shù)字式光電隔離器進(jìn)行隔離，以切斷共阻抗環(huán)路，避免長線感應(yīng)及電源和各種負(fù)載通過共阻抗回饋的各種干擾的竄入。對于線性模擬電路通道，如因考慮成本不能使用隔離放大器進(jìn)行隔離時(shí)，則可采用線性光偶或用V/F變換后再用數(shù)字光偶進(jìn)行隔離。

　　(2)靜電偶合干擾及其對策。靜電偶合是由于兩個(gè)電路間存在寄生電容，使一個(gè)電路的變化影響到另一個(gè)電路。

　　一般尖蜂干擾或脈沖干擾的頻譜極高，其靜電1禺合的途徑不能忽視。

　　針對靜電偶合干擾采取如下措施：①合理布線，減少分布電容，特別是高頻信號線盡量不要與其他信號線路平行走線，若必須平行走線時(shí)，應(yīng)注意留一定的距離，以切斷靜電偶合通道。② 降低接收電路輸入阻抗。

　　例如用光電偶合器等。光電的輸入阻抗與干擾源相比極小，前者數(shù)量級為100Ω/～1kΩ ，而后者則為105 Ω～108Ω，因此，使用光偶可以使干擾大大減小。

　　(3)傳導(dǎo)偶合干擾及其措施。在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖信號，它在傳輸線上傳輸時(shí)會出現(xiàn)延時(shí)、畸變和衰減。尤其是當(dāng)長傳輸線經(jīng)過干擾環(huán)境時(shí)，導(dǎo)線相當(dāng)于天線拾取干擾信號，對電路產(chǎn)生干擾。

　　針對傳導(dǎo)偶合千擾采取如下措施：①長傳輸線采用屏蔽線，避免電磁感應(yīng)干擾。但要注意屏蔽層要一端接大地，并保證接地良好。若采用兩端接地，屏蔽層又構(gòu)成新的干擾回路，起不到好的屏蔽效果。②用光電偶合器將長線完全浮置起來，長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各邏輯電路的電流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配問題。同時(shí)，受控設(shè)備短路時(shí)，還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害。③傳輸線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變壓器及電源等大功率器件，且盡可能短。若較長時(shí)，可用雙絞屏蔽線傳輸，用雙絞屏蔽線與光電偶合器配合使用效果更佳。同時(shí)，注意強(qiáng)電信號線和弱電信號線分開，高頻信號線和低頻信號線分開，交流和直流分開，電源線和信號線分開。